（机械电子工程专业论文）天线结构优化过程可视化研究与软件开发.pdf

摘要 为了提高我国面天线的创新设计能力，满足国防需求，国防科工委提出了“面天 线结构综合设计平台”的课题，主要针对实现天线结构通用设计平台开展深入的研究。 本文的工作即为该课题的研究内容之。 本文的主要任务是将科学计算可视化技术应用在天线优化设计过程中，使优化过 程透明可驾驭，从而提高优化的质量与效率，促进优化技术的普及应用。 本文针对天线设计的具体要求，结合天线综合设计系统的总体设计方案，充分考 虑了天线设计系统中结构优化的功能需求，明确了天线设计与科学计算可视化紧密结 合的思路：对建立结构优化系统的总体框架进行了分析和实践，从功能模块设计，模 块接口设计，外在表现形式三个方面做了详细论述；对优化过程可视化软件的内容和 体系结构作了深入的研究，划分了软件的层次结构并对各层次之间的数据流向进行了 描述：通过二次响应面法实现设计空间显示，编写优化过程可视化软件程序共约5 0 0 0 行以及该软件与其它模块的接口程序；研究探索了k r i g i n g 近似模型方法，提供了设 计空间显示的另一种方法；对天线结构优化可视化软件系统进行集成，针对典型的杆 系进行了运算验证。 关键词：优化过程可视化科学计算可视化设计空间响应面法 a b s t r a c t i no r d e rt o a p p l yt o t h ed e v e l o p m e n to fd e s i g na b i l i t ya n dn a t i o n a ld e f e n c e ，t a s k g e n e r a ld e s i g np l a t f o r mo f a n t e n n a s t r u c t u r e ”i sp u tf o r w a r d t h em a i n p u r p o s e o f t h i st a s k i st os t u d yc o m m o nv i r t u a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yi ns t r u c t u r ed e s i g no fa n t e n n a ，t h i s p a p e r j u s t s e l v e st h et a s k t h i sp a p e ra p p l i e sv i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ( v i s c ) t od e s i g no p t i m i z a t i o n o f a n t e n n a o p t i m i z a t i o np r o c e s sc a nb et r a n s p a r e n ta n de f f i c i e n c yo fo p t i m i z a t i o nc a nb e i m p r o v e db yu s i n gv i s c m e t h o d t h i sp a p e rd e t e r m i n e st h ed e s i g ni d e ao fc o m b i n i n ga n t e n n ad e s i g na n dv 1 s cb a s e d o nt h e g e n e r a ld e s i g n s c h e m eo nv i r t u a lm a n u f a c t u r i n gs y s t e m t h r e ep o i n t sa r e p u t f o r w a r d ：f u n c t i o n a lm o d u l e sd e s i g n ，i od e s i g nb e t w e e nb l o c ka n de x t r i n s i cf o r m c o n t e n t a n di m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fv i s cs o f t w a r ep l a t f o r ma r er e s e a r c h e d ，a n dt h eg r a d a t i o n s t r u c t u r eo fs o f t w a r ei s p a r t i t i o n e da n dd e s c r i b e d i nt h ep a p e r ，e s s e n t i a lp r o g r a m so f v i s cs o f t w a r ea r e c o m p i l e db a s e do nr e s p o n s e s u r f a c em e t h o d i n a d d i t i o n ，k r i g i n g m e t h o di s p r o v i d e d i nt h ee n d ，f u n c t i o n a lm o d u l e sh a v eb e e ni n t e g r a t e da n dat y p i c a l c o m p u t a t i o n a le x a m p l e o nb a rs t r u c t u r ei sv e r i f l e d k e y w o r d s ：v i s u a l i z a t i o np r o c e s so fs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g d e s i g ns p a c e r e s p o n ds p a c e m e t h o d 创新性声明 y 5 8 3 6 7 2 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安 电 子科技大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名同期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人 保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时，署名单位仍然为西安电子 科技大学。学校有权保留送交论文复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名 导师签名丞窒丝 同期 r 期j 4 第一章绪论 1 1 天线结构综合设计平台的产生背景 近年来，关于天线优化设计的研究与应用己日趋成熟并取得了可喜的进展。 但是传统的天线设计开发流程并未有大的改进，仍是根据天线的性能指标、结构 要求、装配性能等进行设计、绘图、试制样机，然后对天线样机进行实验和评价。 如果对实验结果不满意，要变更设计，重新试制样机，直到对实验和评价的结果 满意为止。这种方法一般有时间较长，成本较高，设计手段和方法落后等弊端。 天线虚拟设计技术及网络化的发展和应用较好地解决了这些问题。天线虚拟 设计系统通过对产品的虚拟设计、虚拟装配和评价来模拟现实的设计系统，将产 品从概念设计到投入使用的全过程( 产品的生命周期) 在计算机上虚拟的实现。 虚拟设计技术于上世纪8 0 年代出现，首先应用在军事、航空航天、汽车领域 中。波音飞机公司7 7 7 飞机的设计，就是采用虚拟设计技术的典型实例，开发周 期从通常的8 年减少到5 年，设计、装机、测试均在计算机中完成模拟，初步做 到无纸设计，保证了一次试制成功。9 0 年代随着计算机技术，特别是信息技术的 迅速发展，虚拟设计技术得到人们的极大重视并获得迅速发展。 天线虚拟设计系统以建立通用的天线结构设计软件为目标，其基本思想是在 天线制造过程的上游一一设计阶段就对天线制造全过程进行虚拟集成，通过对设 计的最优化达到天线的一次性设计成功，将全阶段可能出现的问题解决在这一阶 段。天线虚拟设计系统不仅对天线的设计过程进行虚拟和可视化，而且对天线的 性能，功能以及各个阶段的实施方案进行预测、评价和优化，是天线设计开发的 测试床。 与传统的天线设计开发相比，天线虚拟设计不消耗资源和能源，因此可以大 幅度降低产品的开发成本，并且可在制造前对产品实现的方案进行评估和优化， 提高了产品实现的可行性，大大简化了物理测试实验的过程。图1 1 表明了天线 虚拟设计和实际制造的关系。 2天线结构优化过程可视化研究及软件开发 图1 1 天线虚拟设计与实际制造 近年来，虚拟设计技术已经引起我国科技工作者的关注。据不完全统计，目 前全国已有3 4 家科研机构、高等院校和企业正在开展这一方面的研究、开发及初 步的示范应用工作。但是总的看来，我国虚拟设计技术的系统研究尚未全面开展， 尤其是天线虚拟设计技术的研究才刚刚起步，这方面的现成经验不多。 基于这种状况，在国防科工委“十五”预研项目“面天线结构综合设计平台” 支持下，我们对建立天线虚拟设计系统作了有益的尝试，开展了具有探索性、应 用性的研究，旨在建立一套天线结构设计的虚拟设计平台，提高我国的天线设计 制造水平。本文也是基于此项研究展开论述的。 1 2 结构优化设计的发展与现状 天线结构优化设计是天线结构综合设计平台的重要组成部分，其目标是使天 线具有最好的使用性能和最低的材料消耗，这在很大程度上决定了天线在整个生 命周期内的品质和成本。 实际上，追求设计的最佳化是工程设计人员追求的永恒主题，对于任何一位 设计工程师来说，总是力图以当前尽可能好的方式来满足市场提出的需求。回顾 设计史，可把工程优化的发展分成下列阶段，如图1 2 所示 1 】。 ( 1 )人类智能优化阶段：直接凭借人类的直觉或逻辑思维进行设计。 ( 2 )数学规划优化阶段：使用线性和非线性规划以及整数、几何、随机和多目 标规划等算法进行优化。 ( 3 )工程优化设计阶段：采用没有严格数学背景，但相对数学规划更加有效的 算法，并从优化全过程考虑问题。 ( 4 ) 人工智能优化阶段：智能寻优策略迅速涌现，计算机辅助设计方案智能优 化、寻优策略的自动选择和优化过程的智能控制成为现实。 第一章绪论 ( 5 ) 广义优化设计阶段：将传统优化过程中单纯优化算法的研究，向前扩展到 建立、处理模型，向后扩展到优化全过程显示的研究并结合计算机技术，开发 相应商品化的广义优化软件。 人类智能优花与人类史同步j j 数学规划优化辇慧蒜尤其刘 工程优在近t 。年来1 j 人工智能优化优化近2 0 年来j j 广义优化设# 面向2 l 世 电j 图1 2 工程优化的发展历程 随着工程优化方法的不断发展和改善，结构优化设计也逐渐得以发展。现代 结构优化，将数学规划理论与力学分析方法结合起来，以计算机为工具，以人机 配合或“自动探索”的方式，在计算机上进行半自动或自动设计，改进和优化受 各种条件限制的承载结构设计，以选出在现有工程条件下既安全又经济的结构形 式。通常是求解具有最小重量的结构，同时必须满足一定的约束条件。近些年来， 结构优化设计趋向于采用接近实际的复杂结构模型的大型结构系统。优化技术与 大型有限元分析程序的软件集成化及多学科交叉优化是优化研究的热点。 经过研究工作者的不断努力，我国学者在结构形状优化、拓扑优化和可靠性 优化方面【2 巧】都有突出的成绩，并在开展机电综合优化设计方面，做出了开拓性的 工作【6 4 j 。在优化方法的研究与应用方面，优化算法不断出现，如王生洪等的具有 频率约束的结构最轻重量设计，叶尚辉和陈树勋的导重准则法1 ，段宝岩等的 内切球法和极大熵法等多种方法。 同时，国内外都非常重视优化设计软件的开发。在国外，比较著名的有s t a n f o r d 大学系统优化试验室的m i n o s 5 x ( 解决大型非线性问题) ，n p s o l ( 解决中小型 非线性问题) ，加州理工大学的a d s 系统，著名的结构分析软件a n s y s ，在很 多工程设计软件中也带有优化方法子程序，以方便用户使用。专门从事优化设计 软件研究的i l o g 公司发布了高质量、高健壮、高柔性化的优化求解器i l o g c p l e x ，i l o gc p l e x 能对线性，非线性，约束和非约束问题进行求解，声称能 解决几百万个变量的优化设计问题。 随着网络的普及，网上优化资源日益丰富，用户从网上能收集到很多资料， 其中一个比较著名的网址是h t t p ：w w w f p m c $ 觚l g o v o t c ，它是由o p t i m i z a d o n 4灭线结构优化过程可视化研究及软件开发 t e c h n o l o g yc e n t e r ( o t c ) 维护的，在其t h eo p t i m i z a t i o n t r e e 专栏中，通过树形 结构对数值优化方法进行了概括，阐述了针对不同优化问题的主要算法，以及指 明了在哪可购买到相应的软件包。 1 - 3 科学计算可视化的现状 天线优化过程本身不仅处处存在着用几何信息描述的可能性。而且迫切需要 一种可视化面向对象的运作环境。科学计算可视化应用在天线优化过程中，可以 使优化设计的过程和结果以一种更为用户所接受的方式( 图形方式) 呈现在用户面 前。通过对优化设计结果的提取比较，用户可以直观的认识天线优化设计过程， 并由此做出自己的判断决策，从而对优化设计的设计过程进行操纵控制。所以， 将可视化技术应用于结构优化过程，可使优化过程尽可能透明，对促进优化技术 的普及应用与提高优化的质量与效率意义重大。 要实现天线优化过程可视化，有必要先了解科学计算可视化的概念。 科学计算可视化( v i s c ：v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p m i n 曲，又称科学可视 化( s v ：s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ) ，是美国计算机成像专业委员会( c m ) 应美国国家 科学基金会的要求，于1 9 8 7 年在华盛顿首先提出来的，它将计算机图形学、图像 处理、计算机视觉和计算机辅助设计、信号处理和用户界面研究等众多的独立学 科领域联系在一起，是目前计算机图形学中最热门的领域之一。 可视化技术在自然科学领域中和工程实践中都有广泛的应用，在工程技术领 域的应用主要包括计算流体力学和有限元分析。可视化技术在有限元的工程应用 及提高有限元分析的可靠性和精确度上均起着非常重要的作用。可视化极大地丰 富了科学发现的过程，给研究人员以透析客观事物的洞察力，使人们更深刻的认 识、观察实际计算问题的内在本质。可以毫不夸张地说，在许多领域中，可视化 技术必将带来科学方法上的革命。 进入9 0 年代后，可视化领域的研究取得了迅速发展，许多研究机构都制定了 发展科学可视化的长期计划。国外已陆续推出一些较为成熟的可视化软件系统， 如a p e 、w a v e f r o n t 、p v w a v e 、g a s 和r i p 、跟踪型的a v s 和驾驭型的j z 等。 我国国家自然科学基金委员会也将科学可视化列为9 3 年的重点项目。浙江大学在 科学计算可视化研究领域做出了许多高水平的工作。c a d & c g 国家重点实验室研 究了通用的交互式可视化环境g i v e 。g i v e 涉及到可视化用户界面、自动代码生 成、具体可视化算法、分布式图形处理、交互式图形学等多方面的研究工作。 目前现有的可视化软件大都是面向某一具体领域，对其进行二次开发十分困 难，并且，从现有的文献来看，对优化过程的跟踪可视和驾驭可视水平还比较低， 因此，自行开发所在领域的可视化软件工具是十分必要的。 第一章绪论 1 4 课题背景和研究内容 一、课题背景 “面天线结构综合设计平台”是国防科工委“十五”预研项目。天线结构综 合设计技术就是对天线结构设计中的共性技术问题进行总结，并以此为基础。最 终实现天线结构设计的通用虚拟设计平台。用户可以通过虚拟设计平台快速设计 出天线虚拟电子样机，加速面天线装备设计过程和批量制造过程。通过推广面天 线结构综合设计平台，可以显著提高面天线的创新设计能力，减少设计缺陷，优 化产品性能，提高质量、降低成本，满足国防需求。 二、研究内容 1 应用层软件的开发 应用层软件是为最终用户提供专门用于天线设计、制造与管理的应用软件。 我们认为，在当前国内天线结构设计中，有以下一些问题急需解决“”。 机电一体化建模 要求建立天线结构精度( 特别是整机精度) 与最终电性能效率之间的量化计 算关系，并将其设计成计算机软件，指导结构设计工作。 天线结构的参数化设计 要求零件绘制、部件装配、整件装配的过程完全由程序自动完成，用户只需 输入的一些结构参数。 天线结构优化 要求天线结构优化软件可以帮助设计者快速找到优选的结构方案。 产品数据管理( p d m ) 信息库为面天线虚拟设计系统提供数据存储和共享的场所，是整个系统的基 础，包括产品数据的产品结构管理、资料安全性、版本管理、权限管理、工作流 程管理等问题。 面天线安装的精度测试与调整 要求系统自动计算最佳拟合面，并向用户给出为达到最佳拟合面，各个控制 点应该的调整量，从而实现面天线的快速、准确安装。 天线结构性能的快速与准确评价 要求软件系统帮助用户快速建立合理的有限元模型，得到正确可靠的评价结 果。 2 软件支撑平台的开发 支撑平台的选择 c a d c a m c a e 软件完成天线结构三维模型的生成、编辑和保存工作，是整个系 统最为关键的支撑软件。支撑平台还包括硬件、操作系统、数据库。 丕丝竺塑垡些丝堡里望些竺壅丝墼堡茎垄 对现有的c a d c a m c a e 软件进行开发，实现最终的软件设计目标a 1 5 本文的主要工作 作者在硕士期间所做的主要工作概括如下： 1 对虚拟设计系统的分析研究 在研究了一般性虚拟设计系统的体系结构和系统模型的基础上，结合天线 结构设计系统的总体设计方案，充分考虑了系统的各种功能需求。 明确了天线设计与科学计算可视化紧密结合的思路，并在后面的工作中遵 循这个基本思路。 2 对天线结构优化软件的方案设计 根据结构优化体系的特点，考察了现代结构优化技术的现状，提出天线结 构优化设计所面l 临的问题，并给出具体的解决方案，明确了建立天线优化 可视化平台的必要性。 对建立结构优化系统的总体框架进行了分析和实践，从功能模块设计，模 块接口设计，外在表现形式三个方面做了详细论述，提出了基于可视化的 结构优化层次模型。 3 优化设计与科学可视化相结合的具体实践 通过对科学计算可视化体系的分析，提出了优化可视化的特定内容：优化 4 建模可视化和优化过程可视化，并明确了它们的具体内容和要求。从理论 上论述了通过交互方式建立优化模型的新方法。 在参阅大量的中英文文献的基础上，对优化过程可视化软件的内容和体系 结构作了深入的研究，划分了软件的层次结构并对各层次之阳j 的数据流向 进行了描述。 通过二次响应面法实现设计空间显示，编写优化过程可视化软件的核心程 序共计约5 0 0 0 行以及该软件与其它模块的接口程序。 研究探索了k r i g i n g 近似模型方法，提供了设计空间显示的另一种思路， 为今后在软件中添加新的方法做了准备工作。 实现天线结构优化系统中各个软件的集成 用多线程的方法实现了跟踪可视和交互式监控。实现对优化过程的驾驭。 对天线结构优化可视化软件系统进行集成，针对典型的杆系进行了运算验 证。 第二章天线结构综合设计平台的设计思想 第二章天线结构综合设计平台的设计思想 随着软件系统的规模和复杂性不断增大，软件的设计和开发、维护也面临新 的困难。只有清晰，有条理地划分软件体系结构的层次，在以后系统功能扩充时 才能避免大量重复的劳动和已编写代码的浪费。所以，对软件体系的总体框架设 计进行系统的描述和建模是软件设计的关键步骤。 2 1 虚拟设计系统的一般结构 这一节将分析一般性虚拟设计系统的体系结构，旨在对虚拟设计系统有更加 准确、深入的认识，从而更好地设计开发针对天线的虚拟设计平台。 根据动态设计的特点，可将虚拟设计系统划分为事务控制、虚拟环境、分析 计算、数据库与图形可视化等几个部分。 以把它们分为核心组件和应用组件两类。 依据这些组件在系统中功能的差异，可 核心组件是系统的基本组成部分，包括 事务控制组件、虚拟环境组件、数据库组件等；应用组件针对不同的应用需求， 如分析计算优化组件，当使用不同的计算和优化方法或在不同领域应用时，可开 发新的应用组件替代原有组件。虚拟设计系统采用多处理方式，将“虚拟环境” 与“分析计算”划分到不同进程中，但共享数据结构；事务控制组件和虚拟环境 组件运行于同一个进程内；由于分析计算组件和数据库组件之间的数据传输量很 大，为了提高运行速度，增加系统的实时性，它们运行在同一个进程内。 系统运行时，用户输入初始参数，事务控制组件启动分析计算组件，并将分 析计算组件的接口传递给虚拟环境组件。分析计算组件运行到某个阶段，向主控 组件发出通知，主控组件将数据库组件的相关接口传递给分析计算组件，并将结 果写入数据库，同时显示给用户。如果结果不合理，用户向虚拟环境组件发出中 止命令，由事务控组件中止计算过程。虚拟设计系统的体系结构框图如图2 1 所示。 天线结构优化过程可视化研究及软件开发 虚拟环境用户界面 i 立体眼镜、三i i 三维模型与多i i 维鼠标等外设i i 媒体开发包i 晤而司 l 模型显示l l j 数据可视化 映射 数据库及输入输出 圈图国 事务控制 控制与信息 状态传递 数据 实时 存入 分析 计算 优化圈圈圈圈 图2 i 虚拟设计系统的体系结构框图 天线虚拟设计系统可以蜕是上面描述的系统的一个大的子集，它具体针对天 线结构设计，面向一般工程技术人员使用。下面是对天线虚拟设计系统的层次结 构的详细论述。 2 2 虚拟设计在天线设计中的应用 正如上文所论述的，通过推广应用面天线结构虚拟设计平台，可以显著提高 我国设计天线的能力和效率，增强我国在天线结构设计行业的竞争力。具体来讲， 将虚拟设计技术应用于天线设计中有以下优点： i 天线设计全过程的高度集成。在计算机上实现天线整体及零件的概念设计、造 型设计、结构设计等同时对其性能如刚度、强度、固有频率、动态响应及使 用寿命等进行模拟分析，并在虚拟环境下对天线模型进行设计、装配、测试、 评价，产品定性不依赖于对传统的原型天线做反复修改。 2 支持天线敏捷制造。设计好的天线零件可以存放在计算机里，不消耗资源和能 源能实时根据用户需求快速改变设计，而且能大幅度降低产品的开发成本， 缩短开发周期。 3 分步合作及网络化。对于大型复杂的天线设计来说，可以把设计任务分解成多 个小任务分发给不同科室、不同单位、甚至是不同地区或国家的协作单位，然 后以企业局域网( l a n ) 为基础，以客户朋臣务器结构( c s ) 为基本的工作方式， 开展面天线的虚拟设计。协作单位之间利用广域网( w a n ，主要是i n t e m e t ) 随时浏览设计信息，交流设计文档，及时获取对方的进展情况，对设计工作随 第二章天线结构综台设计平台的设计思想 9 时提出意见和建议，也可以对其进行直接修改，形成异地虚拟设计的方法，可 以大大提高工作效率，如图2 2 所示。 图2 2 面天线结构综合设计平台的基本工作模式 2 _ 3 天线结构综合设计平台总体设计方案 面天线结构综合设计平台由3 个层次的软件模块组成，如图2 3 所示。 圈圈圈圈围困 f 操作系统 i 图2 3 天线结构综合设计系统层次结构 ( 一) 应用层软件 应用层软件为最终用户提供专门用于天线设计、制造与管理的应用软件，也 是本项目需要开发的软件模块。 各模块的具体内容包括： 面天线结构方案辅助设计模块 瓣占黧占 雷 o天线结构优化过程可视化研究及软件开发 该模块的主要功能，是在建立面天线设计知识库的基础上，为用户检索生成 最佳设计方案。用户可以以此方案为基础，经过少量修改，完成面天线的结构设 计。 面天线优化子系统 该模块的主要功能：在用户初步给定面天线拓扑结构和优化目标的前提下， 优化子系统可以帮助用户迅速找到合理、优化的面天线结构模型，计算出最优的 天线零件尺寸。 本文的工作是编写面天线优化子系统的可视化软件，具体的设计在后面章节 会有详细的叙述。 参数化快速建模子系统 该模块的主要功能，是将整个结构优化模型以立体的形象展现在设计师面前。 用户只需要输入一些必要的控制参数例如天线反射面方程( 或是控制点) 、反 射面分块参数、辐射梁构成、环梁构成、反射面与背架连接方式、桁架连接方式 等，系统能自动完成零件绘制、部件装配、整件装配的过程。 面天线有限元快速建模子系统 该模块的主要功能，是在天线结构设计完成以后，快速生成面天线的有限元 模型。通过查询预先建立的面天线零部件有限元网格划分库，系统自动为用户建 立面天线零部件的有限元模型。以此为基础，计算天线结构的结构性能( 静力、 动力与随机响应) ，并以仿真的方式显示计算结果。 电性链计算模块 该模块的主要功能，是通过机电一体化理论，由天线的结构精度直接计算出 天线的电性能参数。应用该模块，用户可以有效的估算结构精度对于电性能( 效 率) 的影响，从而避免对于结构精度盲目的要求，降低设计和制造成本。同时也 可以在有效地指导结构设计，合理分配各零部件的精度要求。 以上故模块属于面天线设计模块，它们之闻的工作流程是：系统首先调用面 天线方案设计子系统帮助用户确定较优的反射面类型、反射面分块方案、背架结 构方案等，用户根据实际需要应用面天线优化子系统对优选得到的结构进行局部 调整，确定优选的零件尺寸，然后应用参数化造型子系统生成天线结构的三维模 型，应用面天线有限元子系统建立天线结构的有限元模型，计算结构的受力( 外 力、温度、重力、惯性力) 、变形、强度、震动频率等。最后应用机电一体化模块 计算电效率，应用视景仿真模块进行真实感仿真，并交付用户评价。 面天线安装精度测试与调整子系统 该模块的主要功能。是在天线设计完成后，为大型面天线的安装提供理论指 导，科学地指出天线的调整方向，从而使天线反射面迅速达到精确的位置( 误差 允许范围) 。 第二章天线结构综合设计平台的设计思想 p d m 模块 p d m 模块的主要作用，是维护面天线结构设计过程中生成的大量资料( 产品 数据) ，以满足面天线结构设计小组项目管理的需求。该模块的主要功能包括数 据安全、图档管理、流程管理、版本管理等，是项目组级的p d m 系统，实现基于 图档的产品数据集成。 ( 二) 支撑平台 面天线结构综合设计平台是一个复杂的设计系统，牵涉到c a d c a m c a e v r 等很多方面的工作。如果我们可以从现有的商品化软件中，找到支持天线虚拟设 计的软件系统，那么只需要应用并有效的开发这些软件，就可以确保项目最终目 标的实现。 如图2 1 所示，面天线结构综合设计平台的支持软件包括： 三维c a d c a m 软件 有限元分析( f e a ) 软件 优化软件 虚拟现实( v r ) 软件 数据库软件 ( 三) 信息库与数据库 信息库的主要功能，是为面天线虚拟设计系统提供数掘存储和共享的场所。 信息库是整个系统的基础。信息库设计是否准确合理，是决定天线结构综合设计 平台成功与否的关键之一。在系统开发阶段，我们选用s y b a s e 作为数据库支撑平 台。 第三章天线优化软件的总体设计 天线优化子系统面向用户，让用户可以迅速得到合理、优化的天线结构模型， 能有效提高设计效率。因此，优化系统的设计是否准确合理，是决定天线虚拟制 造系统设计成功与否的关键之一。 3 1 对结构优化问题的理解 在软件工程中，对设计对象的需求分析位于设计初的重要步骤，即必须首先 对软件所涉及的领域有全面，透彻的认识和理解。 结构优化设计问题可用数学表达式表示为： f t n dx r “ m i n f ( x ) j f g ，( 并) 0 i = 1 ， x x ：，置“】 其中，设计变量x 是零件的截面尺寸，目标函数为结构重量。x j 、z y 分别 是设计变量的上下限值。 经典的结构优化系统可分为三个部分： 结构的力学模型：依结构的类型不同而不同，分为离散体结构( 桁架、刚 架、剪切板、膜等结构和它们的组合) ，连续体结构( 二维情况的连续板 和三维连续实体、壳等) ； 结构的优化模型：由三个基本要素组成，即目标函数，约束函数和设计变 量组成； 优化求解方法：主要有准则优化法、数学规划法及准则法和规划法相结合 的混合法等； 我们正在开发的天线优化设计平台以优化建模、寻优、分析、再设计为集成 系统，以基于知识工程的数据库为基础，采用多种优化计算进行寻优，并应用可 视化技术对优化迭代过程进行监控和对优化结果进行分析，提供给设计者参考。 这与以往的传统狭义优化方法有着很大的不同。传统的优化设计方法运行于 单性能、非交互式的计算机环境中，迭代过程完全程序化，不能人工干预。并且 计算结果不能用图像信息表示。而面天线结构优化在解决问题的范围和复杂程度 上都远远超过传统优化。在迭代过程中，可实现优化建模和优化过程的可视化， 建立高质量，贯穿优化始终的可视化平台；在设计变量方面，从单纯的截面型变 量发展为现在的节点坐标变量、广义形状优化变量及拓扑变量等；在性态约束方 面，从应力、位移等静力约束发展到固有频率、频率禁区等动态约束；在优化目 标方面，从单性能单目标发展到多目标全性能：在优化的体系方面，由单一优化 问题向复合场( 机电耦合、固液耦合等) 优化问题发展。 基于可视的面天线结构优化的流程图如图3 1 所示。 圈3 1 基丁可视的面天线结构优化的流科幽 3 2 天线结构优化设计面临的问题 天线结构是一种大型精密机械结构，又是典型的机电一体化产品，广泛地应 用于卫星通讯、雷达技术及射电天文等领域。天线的典型结构包括馈源、反射面、 背架支持结构，它们的工作关系是：铺设在背架上的反射面接收来自空间的电磁 波，并经反射姬集到馈源。若是发射状态则与之相反。 天线的电气性能要求，不仅依赖于电气设计水平，同样依赖于结构设计水平， 两者之间存在一定的内在关系，随着表面误差的增大，天线增益将明显下降，所 以天线的机械结构很大程度上决定了天线的性能。著名天线专家r u z e 在1 9 5 2 年 提出了描述两者间相互关系的定理，如式3 - i 所示。 门 ”= ! = e - 4 “胡1 2 ( 3 1 ) 4 式中： ，7 。一无线增益( 无线表面效率) 下降系数 g 。一无表面误差时天线的增益；g 一表面误差时天线的增益： 占一表面各点半光程差的均方根( y m $ ) ； 天线结构优化过程可视化研究及软件开发 2 一波长。 天线结构设计的根本目标是设计能够确保天线电性能指标( 例如电效率) 的 机械结构。在设计过程中，利用优化技术可以在天线结构的经济指标和各项性能 要求之间进行协调，快速得到满足应用要求的合理设计方案以及确保天线电性能 指标( 例如电效率) 的机械结构。 天线结构优化的数学描述是对天线结构的设计变量、性能与性态、约束以及 目标函数综合分析后给出的关于优化设计模型的定量表示。其中，设计变量包括： 杆件粗细与板壳厚薄的界面尺寸变量，背架结构下弦节点坐标变量，连续体形状 表示的广义设计变量，节点关联关系的拓扑变量以及馈源相位中心位置变量等等： 约束包括：重量限制( 当精度作为目标时) 、反射面误差均方根限制( 当重量作为 目标时) 、应力约束、固有频率约束、电气性能指标约束等等；目标函数包括：结 构重量、精度、电气性能指标、结构可靠度等。 对天线优化设计现状的调查表明，相对于优化理论和算法的研究成果，天线 优化设计在实际工作中还面临一些困难。主要有以下一些原因： 1 程序继承困难 在过去的数十年中，优化计算软件多数用f o r t r a n 语言编写，这是因为f o r t r a n 语言具有标准化，速度快，数据传递和函数调用灵活方便等优点。但是f o r t r a n 语言诞生于5 0 年代，数据处理和绘图功能不足，且不具备结构类型的数据，所以 存在通用性差，接口和输入输出数据繁杂，缺乏友好的人机交互建立模型的机制， 导致现有优秀f o r t r a n 程序难以应用和维护。 2 集成各类软件系统困难 通常的机械设计软件使设计师减轻了作图的劳动强度，但一般只有较为简单 的计算功能，如我们现在使用的a n s y s 软件，就不能满足天线结构优化的需要； 常用的优化软件又没有作图的功能。因此，常存在机械c a d 软件的数据转换到优 化设计软件数据的困难。 3 对优化过程监控和驾驭 在优化设计的求解阶段，进行优化工作的工程设计人员往往只能得到优化的 结果数据，而对优化的具体过程并不了解。在搜索最优解的过程中，往往会出现 方向偏差，甚至出现目标函数振荡和不收敛的情况，用户不能对此类问题做出直 观判断和及时纠正。 为加快天线优化技术在实际工程中的推广应用，为使一般工程技术人员容易 掌握天线优化这一现代技术，针对以上问题，可以采取以下方案： 开展天线优化的建模过程可视化和过程可视化的研究工作 建模过程可视化让用户快速建立优化模型，并对复杂多变的设计变量选择归 并，使不懂优化的技术人员可以方便地交互建立优化模型；过程可视化让优化求 兰三皇墨垡垡些竺壁竺璺堡壁生上 解的全过程展示在用户面前，以便用户进行适时修改与干预，提高优化设计效率。 对现有软件进行二次开发 从现有的商品化软件中，我们可以找到支持应用层功能实现的软件系统，只 要有效地对这些软件作二次开发，就可以大大提高研究效率。以这些支撑软件系 统为基础，可以确保项目最终目标的顺利实现。 通过接口实现模块之间的互连 模块的具体实现被封装在内部，组装者只关心接口，不必知道其实现细节。 只要在系统核心数据接口和各方法接口问建立转换层，就可完成数据的双向解释。 每添加一个新的优化算法，只需添加该方法接口与核心数据的转换关系。采用这 种方法，就可充分利用现存的优秀算法，使系统易于扩充。 3 3 天线结构优化软件系统的设计 3 3 1 软件系统的设计 对于天线结构优化软件，设计要求可概括为以下几点： 能基本覆盖常用天线结构，适应结构优化的发展趋势； 可视化应贯穿于优化建模，分析，求解的全过程： 可作为独立的子系统方便地与外界衔接； 能选用不同的优化方法来解决具体问题，新的寻优方法能方便地加入； 天线结构优化软软件的设计可分为四个层次：功能模块层是软件系统的核心 部分，包括面天线初步方案设计模块和面天线优化设计模块，前者为后者提供优 化的初始对象；支撑软件平台层支持功能模块层实现优化目标，支撑平台包括 c a d c a m c a e 系统软件；这两层都以软件系统的核心数据层为基础；用户界面层是 用户对软件系统实现交互控制的窗口。系统总体设计如图3 2 所示。 其中，c a d c a m 系统选用i d e a s 作为面天线结构虚拟制造平台的三维模型输 出平台，c a e 系统选用a n s y s 作为面天线结构虚拟制造平台的c a e 平台。 软件系统中的功能模块层的实现，用户监控和交互控制，在后文有详细的论 述。 1 6天线结构优化过程可视化研究及软件开发 i用户界面i l 指定目标、约束函数ll 显示目标、约束值i l 归并变量 if 显示迭代历史曲线l 功 j 能 i 指定优化参数l 。叫 i 显币n j 行域 i 模 l 指定寻优算法ll 显示等值线 l 块 雷i 结构优化建模 i l 结构优化过程 l i 面天线结构优化设计 l l 面天线初步方案设计 i | li | z 、_ li l 1 支撑平台( c a d c a m c a g ) i 乡 匿 数榍库 习 图3 2 天线结构优化软件设计图 3 3 2 软件复用技术在天线结构优化软件中的应用 任何一个优化算法都有它的适用面，即只能有效解决某一方面的问题，对其 它问题或者失效，或者求解效率不高，没有一种万能的优化方法。而且各种方法 的特性和要求也不一样，例如混合法要利用目标和约束对设计变量的导数信息来 迭代，即必须进行敏度分析，而遗传算法等模拟自然的优化方法对敏度信息的求 解则没有要求；在两者优化监控过程中供用户修改的参数也各不相同。而且用 f o r t r a n 编写的优化程序无法与面向对象的数据结构相适应。 并且，一个好的天线优化设计软件必须同时具有设计计算、图形处理、有限 元分析及数据管理的能力，但是目前应用于微机上的软件没有同时具备以上功能 的。要从底层开始设计这样一个复杂的系统，无疑是非常费力的，事实上也没有 必要。一个好的方法是对现有的软件作二次开发，将一些单一功能的软件有机地 组台在一起，形成具有复杂功能的系统。例如，图形软件( a u t oc a d ，i d e a s 等) 有很强的图形处理能力，有限元分析软件擅长有限元分析计算，数据库管理软件 适合于建立、管理数据库，要想把它们集成起来，做到界面友好、模型参数修改 方便、显示数据自然直接，那么软件系统应该是高度模块化的和可扩展的，并且 具有良好的开放性。 为了达到上述目的，有必要引入软件复用技术的概念。作者采用基于软件复 第三章天线优化软件的总体设计 用的软件开发模式，构件之间仅仅通过接口进行交互，采用客户且务器模式。 软件复用( s o f t w a r er e u s e ) 是指在多次不同的软件开发过程中重复使用相同 或相近的软件元素。开发者只需对软件元素的某些部分进行开发，或通过增加、 替换某些部分，就可增强与完善系统的功能或开发新的应用系统。这里所说的软 件元素可以是已有的软件，也可以是可复用的软件构件，如优化计算方法的程序 代码、优化可视的程序代码、用户界面、数据、设计文档等。 软件复用技术与传统的一切从头开始的软件开发过程有着实质性的不同，负 责集成的丌发人员无需了解应用程序功能是如何实现，也无需对内部程序进行修 改。程序的设计和实现被各自独立地封装起来，而仅向外部提供接口。理想的封 装方式是对已有构件不需要作任何修改，直接进行复用，即黑盒( b l a c k b o x ) 复用。 我们将优化算法模块和可视化模块作为构件，将其具体的实现封装在内部，成为 局部的黑盒。在天线结构优化软件内部，它们之间通过接口实现连接：在外部， 优化软件和其它软件也通过接口连接。开发人员只要把重点放在接口转换的设计 上，在保证接e l 一致性的前提之下，就可以调换模块、更新版本，也可以把模块 安插在不同的应用系统中。 在优化系统的接1 2 1 设计中，首先明确已有优化算法的最外层接口参数，然后 在系统核心数据接口和各方法接口间建立转换层，完成数据的双向解释。这样， 每添加一个新方法，只需添加该方法接口与核心数据的转换关系，使工作量达到 最小。采用这种方法，就可充分利用现存的优秀算法，使系统易于扩充，如图3 3 所示。 图3 3 优化系统的接口设计 其中，图形系统可以建立可视化程度很高的三维数字化主模型，提供天线的 反射面类型、反射面分块方案、背架结构方案，以及零部件的体积、质量、质心 位置、截面积、截面性、截面抗弯、抗扭模量、零部件的真实材质等各种参数信 息。优化设计系统以此为基础，对初步设计的结构进行优化调整，快速确定优选 天线结构优化过程可视化研究及软件开发 的零件尺寸。图形系统生成新的三维模型，提供给有限元分析系统计算结构的受 力( 外力、温度、重力、惯性力) 、变形、强度、震动频率等，这些分析结果数据 将提供给优化设计系统作为进一步迭代的依据。 软件复用充分利用了已开发的优化软件和现有的商业支撑软件，有效地减少 了软件开发中的重复劳动。增强软件的可维护性，从而达到降低软件开发成本、 缩短开发周期、延长软件生命周期的效果。 3 3 3 软件开发环境选择 目前成熟的软件开发环境主要有b o r l a n d 公司的d e l p h i 和c + + b u i i d e r 、微 软公司的v b 和v c 。通过比较，我们感觉d e l p h i 的优势较明显。 d e l p h i 使用o b j e c tp a s c a l 语言。o b j e c tp a s c a l 是一种面向对象的语言， 它完全具备结构性、继承性、虚拟函数和多态性功能，还可用来创建可重复 使用的d l l 文件。这些都增强了原有优化计算程序的可重用性。 d e l p h i 拥有v c l ( v i s u a lc o m p o n e n tl i b r a r y ) 可视化组件库。v c l 可帮 助我们快速建立w i n d o w s 界面风格的应用程序，使软件拥有简洁明快的人机 交互界面。 d e l p h i 拥有一个高速的源代码编译器。d e l p h i 使用可执行的编译代码，可 商效地执行程序，将程序直接编译链接为可执行的e x e 文件，且生成的e x e 文件运行速度较快，符合大型天线复杂结构的计算要求。 d e l p h i 包括了广泛的数据库支持，包括内置的对查询、报告以及数据库创 建的支持。数据库为面天线虚拟制造系统提供数据存储和共享的场所，是整 个系统的基础。d e l p h i 通过b o r l a n dd a t a b a s ee n g i n e ( b d e ) 可靠、高效 率地存取几乎所有的服务器数据库( o r a c l e ，s y b a s e ，i n f o r m i x 和 i n t e r b 8